多材料增材制造——部件设计、工艺及应用

多材料增材制造（MMAM）技术因传统制造工艺在多工序、高成本、长周期等方面的局限性而兴起。当前工业领域对具有复杂结构、高性能指标及多功能集成部件的需求急剧增长，但单一材料增材制造难以满足零部件在力学、热学、电磁等性能上的综合要求。因此，MMAM旨在通过整合金属-金属、聚合物-聚合物、金属-陶瓷等异质材料体系，实现功能梯度结构的一体化成形，突破传统多材料制备在设计自由度与工艺复杂度方面的限制，为航空航天、生物医学、电子元件等领域提供高性能定制化解决方案。

铜与不锈钢双金属增材制造热交换器

由Leap71与 Fraunhofer IGCV研究所开发

论文链接：

DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2025.10.002

亮点

MMAM的核心优势在于其‌全链条集成能力‌，涵盖从材料选择、结构优化到工艺协同的系统框架。其创新性体现在‌跨材料组合‌（如金属-陶瓷梯度材料）和‌前沿应用突破‌，例如在生物打印中构建血管化组织、4D打印中开发形状记忆复合材料，以及电子元件中实现柔性传感器一体打印。此外，该技术支持层内与层间的精准材料分配，例如通过超声波辅助铺粉系统实现成分梯度调控，显著提升零部件的综合性能与功能集成度。

方法与工艺体系

设计方法‌：包括材料分布策略（梯度分布、嵌入结构等）、多物理场数值模拟（如有限元分析温度场与残余应力）和结构创新（如多材料晶格结构实现动态泊松比调控）。四模块框架（功能需求识别-材料选择-工艺选择-几何设计）结合数据库辅助决策，实现了材料-结构-性能的协同优化。

核心工艺‌：

• 粉末床熔融（LPBF/EBPBF），通过刮刀或电子照相铺粉系统实现多材料打印；

• 定向能量沉积（DED），通过多通道喷嘴实时调控粉末配比，制备功能梯度材料；

• 光固化（VP），通过动态流体控制或横向滑架实现快速换料；

• 材料挤出（ME），利用多喷头协同或混料装置制造异质构件；

• 混合制造系统，集成LPBF与熔丝制造（FFF）、墨水直写（DIW）等多工艺，实现金属/聚合物复合结构免装配制造。

应用领域

• 生物打印‌：通过水凝胶-聚合物复合结构构建仿生组织（如血管化骨骼、软骨），显著提升植入体的生物相容性与再生能力。

• ‌4D打印‌：利用形状记忆合金/聚合物实现可控形变，应用于软体机器人与航天可展开机构。
  
  

• 电子元件打印‌：直接制造柔性传感器、发光二极管、可充电电池等电子设备，突破传统制造对材料兼容性的限制。
  
  

• ‌跨学科融合‌：在航空航天、医疗植入、智能器件等领域实现轻量化、功能集成与性能优化。

  
  

结论与展望

MMAM技术通过设计自由度与工艺创新，在高性能多材料部件制造中展现出显著潜力，但目前仍面临多材料数据库不健全、界面结合强度弱、专业软件匮乏等挑战。未来需构建多尺度设计理论体系，融合拓扑优化与机器学习算法，革新工艺装备并开发材料回收系统。通过跨学科协同，推动其在精密部件、个性化医疗等领域的产业化应用，成为未来智能制造的关键发展方向。

来源：《制造技术与机床》

论文引用

刘海鹏, 张百成, 曲选辉. 多材料增材制造：部件设计、工艺及应用[J]. 制造技术与机床, 2025(10): 35-47. DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2025.10.002

作者简介

曲选辉北京科技大学 教授、博导

国家级领军人才，国家级教学成果一等奖1项（排名第一）、国家技术发明二等奖1项（排名第一）、国家科技进步二等奖1项（排名第四），省部级科技成果一等奖15项；曾获选国际先进材料学会最高荣誉奖章（IAAM Medal)世界粉末冶金大会（World PM2018）“中国粉末冶金贡献奖”、“何粱何利基金科学与技术进步奖”、“中国青年科技奖”、“全国优秀科技工作者”等多项奖励。长期从事粉末注射成形、高速压制成形、3D打印等先进粉末冶金成形技术，特种粉末制备与合成技术等方面研究工作。

张百成北京科技大学 教授、博导

2024年第49届日内瓦国际发明展金奖、2024年机械工业科学技术奖（技术发明）二等奖、2023年中国有色金属工业科学技术奖（发明）二等奖、2022年教育部高等学校科学研究优秀成果奖一等奖等多项奖励。长期从事金属、高分子、陶瓷增材制造、材料结构一体化设计/制备、材料基因工程、高通量制备及表征等方面研究工作。

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